生物光子学是一门新兴交叉学科。生物光子学技术作为一项高科技生物技术，具有准确、快速、无损和实时的在位获取生命体代谢信息的方法学优势。目前，生物光子学新技术已经渗透到生命科学的诸多领域并产生了深远影响。 光合作用是作物产量和质量的决定因素，是生命存在和发展的根本源泉。准确获取光合代谢信息以调控光合代谢进程、提高光能利用率是增加作物产量的关键环节。 环境胁迫和作物早衰是导致作物产量不高、植物资源和物种信息丧失的主要因素。在众多胁迫中，尤以高温、盐和紫外辐射(ultraviolet，UV)胁迫伤害最为严重。在植物与环境互作及衰老过程中，会出现受遗传程序高度决定和调控的细胞程序性死亡(programmed cell death，PCD)。它的机制解明，有助于了解植物逆境适应及衰老调控机制，为高抗作物筛选和遗传改造提供理论基础。 本论文研究工作主要包括： 第一：基于植物内在光子探针延迟荧光(delayed fluorescence，DF)，创立了植物光合作用代谢信息快速、准确获取的检测方法。针对目前气体交换光合测量繁琐、费时，以及DF检测技术尚存的精度低、重复性差等缺点，提出了在位和环境条件可控的植物DF动态衰减检测方法，并应用到光合作用测量。 根据DF动态衰减检测原理，依据DF发射和激发特性，设计了适用于植物叶片在位和环境条件可控的DF检测系统。系统包括在位叶室、LED激发光源、环境和电气控制组件、单光子计数模块以及数据采集与处理元件等。对LED光照件及环境控制件的可调范围和稳定性进行了测试，并对系统信噪比进行了测试。根据DF强度、原初光化学反应量子效率、电子传递速率、光合速率的限速步骤四者之间的关系，建立了DF表征植物光合作用能力的数学关系模型，并与光合作用气体交换方法对比测量，验证了系统测量的准确性及快速性。 第二：开展了植物盐胁迫、高温胁迫及UV—B胁迫生物光子学实时、在位监测研究。关于盐胁迫，主要研究了盐胁迫中的渗透胁迫和离子胁迫两种效应。对DF和光合速率(net photosynthesis rate，Pn)的对比测量表明，盐胁迫导致的光合作用下降包括快、慢两相，其半数衰减时间分别是13.5和50 h。而且，快相变化是由渗透胁迫造成的、是可逆的过程，慢相变化是离子效应专一性的、是不可逆的过程。同时，对比测量表明，在各种盐和渗透处理及恢复过程中，DF强度和Pn都保持着一致的变化趋势。相关分析表明，这种一致性也有着坚实的理论基础。因此，DF强度可以准确测定盐胁迫光合作用损伤程度，迅速探知盐胁迫下光合作用代谢行为。关于UV—B胁迫，创立了DF快速检测植物UV—B胁迫程度的方法。研究了UV—B胁迫下DF动力学变化特征，分析了不同UV—B胁迫下DF与叶绿素含量的变化规律及其关系；研究了UV—B胁迫白光增强效应及对DF与Pn的影响；验证了DF在位、快速检测UV—B胁迫植物生理伤害程度的准确性。关于高温胁迫，研究了野生型(wild type，WT)拟南芥和热激蛋白(heat shock protein，Hsp)101突变体(hsp101)对高温的响应方式。DF和Pn测量一致性表明，hsp101突变体的最适光合作用温度低于WT拟南芥的，而且，在任一给定光强下，hsp101突变体的光合作用性能都低于WT拟南芥的。WT拟南芥在热激后，DF强度和Pn都能完全恢复到对照水平，而hsp101突变体不能恢复。这些结果证明了Hsp101是植物基础热耐受的必要功能分子。另外，对于热激转录因子A2 T—DNA插入突变体的分析表明，该转录因子对于植物热耐受的启动是非必须的，而对于热耐受的持续却是必不可少的。WT拟南芥和hsp101突变体经不同温度处理后，其DF强度与各自的Pn表现出良好的一致性，而且无论是WT拟南芥和hsp101突变体热激后，其DF强度都与各自的Pn在光响应方式和恢复动力学上表现出极好的相似性，说明DF可以准确检测热激下植物光合生理行为。 第三：开展了植物衰老生理生物光子学实时、在位监测及植物PCD调控信号通路研究。关于植物衰老，研究了植物年龄依赖的自然衰老及植物激素调控的人工衰老下DF强度与典型衰老生理特征叶绿素含量、光系统(photosystem，PS)Ⅱ光化学效率及细胞膜完整率的变化及其相互关系。发现DF强度与植物自然衰老的黄化过程一致，且与叶绿素降解正相关，与细胞膜完整率负相关。在植物激素对植物衰老的调控上，研究了DF强度随衰老的动力学特征变化，发现植物激素调控的衰老延迟或加速都直接相关于激素诱导的DF动力学变化，且在衰老过程中，DF强度正相关于PSⅡ光化学效率。DF强度和衰老特征之间极好的相关性表明，DF强度可以真实反应衰老进程、定量评价自然或激素调控的衰老程度。关于植物PCD，研究了茉莉酸甲酯(methyl jasmonate，MeJa)诱导的PCD机制及其信号通路，用生物光子学技术手段实时、动态监测了活性氧(reactive oxygen species，ROS)生成和亚细胞定位特征，以及亚细胞器官功能及动力学变化特征等。发现MeJa诱导的细胞死亡是浓度和时间依赖的，且是其信号通路专一性的。在死亡早期阶段伴随ROS的大量生成：ROS首先在线粒体处生成，随后3—5 h在线粒体和叶绿体处达到顶峰。且ROS清除剂在抑制MeJa诱导ROS积累的同时，能明显抑制细胞死亡，说明ROS爆发是MeJa诱导PCD的早期事件和必要组分。Meja处理下的ROS积累，导致细胞氧化还原平衡破坏，线粒体动力学首先发生改变，包括：形态和分布不规、线粒体运动终止及膜电位失去等。此后，叶绿体在结构改变、细胞死亡及植株出现明显表型改变之前发生光化学效率下降，表明植物具有专一性的PCD特征。这些结论是在MeJa信号通路上首次发现的，为MeJa细胞生理调控网络及PCD信号传导通路提供了新的观点和见解。最近，利用荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer，FRET)技术首次在单细胞水平上，实时、在位监测到UVC诱导PCD过程中类Caspase—3的激活过程，为植物中存在类Caspase提供了直接的证据；构建的FRET探针使特异性组织和细胞的PCD激活事件研究成为可能，推动了PCD信号传导通路的研究和解明。 总结以上，本文以生物光子学技术为研究手段，以生命科学中的前沿问题为研究对象，创立了新型的植物光合作用代谢快速的生物光子学检测方法；开展了植物逆境生理(包括盐胁迫、高温胁迫和UV胁迫等)和衰老生理探测及相关机理研究，创立了植物逆境生理和衰老生理实时、无损探测的光子学技术体系；为农业生产实践作物抗性鉴定、高抗作物及抗衰老作物筛选提供了一快速简便的创新方法。深入开展了植物PCD机制研究，探索了非生物胁迫诱导的PCD及激素调控的PCD其早期事件特征及其信号传导调控通路，揭示了氧化还原失衡及亚细胞器官功能紊乱是PCD早期事件并是PCD通路上的必要组分，这对于植物逆境适应机制及与环境互作方式、PCD激素调控信号通路的解明具有重要科学意义，同时也为生物光子学技术在其他领域的应用研究提供了一定的理论和实验基础。